金屬玻璃(圖:Elsevier)

3D 列印又稱為積層製造(Additive manufacturing),是工業未來發展的重要方向。這種技術能以更簡單、快速且節省資源的方式打造各種需要的產品,但若要真正取代現有的工業製造方法,必須克服一大難題——如何列印出金屬材料?

而日前,耶魯大學機械工程與材料科學系(Yale University’s Mechanical Engineering and Materials Science)的謝勒爾斯教授(Jan Schroers)及其同事研發了一種能應用於 3D 列印上的金屬材料,有望解決此難題。

列印金屬

一般的金屬材料因為熔點常高於 900 度以上,難以使用於 3D 列印。雖然一種 3D 列印技術「粉床熔融成型法」(powder bed fusion process),能將金屬熔化後在平台上冷卻成型。

不過這種技術的熱源高度集中,成型效果不佳。而且因為液態金屬的高溫,常需額外的支撐結構,以避免機台因高溫而損壞。使得這種列印方法成本昂貴、過程複雜。

金屬玻璃

研究人員認為塊狀金屬玻璃(bulk metallic glasses)特殊的物理性質能夠解決此問題。與一般金屬中整齊排列的原子結構不同,塊狀金屬玻璃屬於晶格雜亂無序的非晶態金屬(amorphous metal)。

這種特性使其具有較低的液化溫度,且在加熱後會逐漸軟化,如同熱塑性塑膠(thermoplastic)的特性,同時又具有高強度、耐腐蝕的能力。因此,研究人員以鋯、鈦、銅、鎳、鈹製成塊狀金屬玻璃,作為金屬 3D 列印的原料。

製程方法

接著,研究人員使用 470 度的高溫,將原料自管徑 1 mm 的擠壓管中,以 10 到 1000 牛頓的壓力從直徑 0.5 mm 的擠壓口擠出至約 400 度的不鏽鋼網,以確保至少在一天內不會結晶,再由機器人製作出所需的物體形狀。

此列印方法仍在初期研究階段,仍有其他問題有待解決。謝勒爾斯教授表示:「若要將金屬玻璃列印法推廣至市場,必須要有各種不同合金組成的金屬玻璃原料供應商;且成品的強度必須更可靠才行。」但此研究已將金屬列印的製程溫度降至相對較低的操作範圍內,相信未來金屬列印能更加簡易,並有助於商業化。

 

參考資料:

  1. E. (n.d.). At last, a simple 3D printer for metal.  Elsevier
  2. Warrier, N. (n.d.). Fused filament fabrication 3D printing using low-melting alloys. doi:10.18297/etd/2837
  3. Gibson, M, et al. (2018). 3D printing metals like thermoplastics: Fused filament fabrication of metallic glasses. Material Today.
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